CN111203861B - 一种机器人工具坐标系的标定方法及标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人工具坐标系T‑xyz的标定方法及标定系统，将激光跟踪仪的标靶球安装到工具上；根据机器人的DH参数，建立机器人的基坐标系O‑xyz，工具坐标系T‑xyz；以标靶球的预定位置为坐标中心建立工具坐标系T‑xyz，其中,工具坐标系T‑xyz与机器人最末端的关节的坐标系E‑xyz方向一致；移动机器人到任意一非奇异点，记录各关节的角度；通过激光跟踪仪，测量安装在工具上的标靶球的预定位置与跟踪仪的相对距离H，根据上述数据标定工具坐标系T‑xyz。本发明在保证不降低测量精度的情况下，降低了测试成本。根据本发明的标定方法，理论上只需要标定一个点即可解算出工具的坐标系，缩短了标定流程。

Description

一种机器人工具坐标系的标定方法及标定系统

技术领域

本发明属于机器人领域，具体而言，涉及一种机器人工具坐标系的标定方法及标定系统。

背景技术

机器人如六轴机器人由于操作方便使用灵活，被广泛用在各个领域。而在不同的应用场景，需要进行更换不同的工具，同时需要重新建立工具坐标系，即重新标定工具坐标系。

当前成熟的标定方法分为两大类，自标定和辅助标定。自标定，就是依靠机械结构本体和控制系统，进行标定如工业中常用的方法是“六点法”，即通过操作机器人示教2个位置点和4个姿态点，操作不仅复杂容易出现奇异点，且标定的工具坐标系的精度不高。辅助标定中，由于标定方法不同所以在标定过程中需要借助的测量工具不同，如行业中常用的激光跟踪仪和激光反馈装置(如T-MAC)，标定过程中需要操作机器人标定多个点，虽然测量系统精度较高，但是标定流程复杂且标定成本较高。

发明内容

鉴于此，本发明提供本发明提供一种机器人工具坐标系的标定方法，可以减小工具标定的复杂程度，还能快速完成标定，且降低了标定成本。本发明解决的如下技术问题至少之一：1)通过减少标定流程，降低标定的复杂度，提升了标定的可操作性。2)在不降低测量精度的情况下，降低了测试系统的成本。3)通过在软件内建立关联项，降低了计算的复杂度，提高了解算效率。

具体地：一种机器人工具坐标系的标定方法，包括如下步骤：

将激光跟踪仪的标靶球安装到工具上；

根据机器人的DH参数，建立机器人的基坐标系O-xyz，最末端的关节的坐标系E-xyz；以标靶球的预定位置为坐标中心建立工具坐标系T-xyz，其中,工具坐标系T-xyz与机器人最末端的关节的坐标系E-xyz方向一致；移动机器人到任意一非奇异点，记录各关节的角度；

计算得到坐标系E-xyz相对于基坐标系O-xyz的旋转矩阵

和平移矩阵

通过激光跟踪仪，测量安装在工具上的标靶球的预定位置与跟踪仪的相对距离H；

根据激光跟踪仪的机械结构参数，建立激光跟踪仪的坐标系L-xyz；

计算得到基坐标系O-xyz相对于坐标系L-xyz之间的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得到坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的平移矩阵

计算得到坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的旋转矩阵

计算得到坐标系E-xyz相对于坐标系T-xyz的转换矩阵

优选地，计算

的方式为，根据坐标变换关系：

进行计算；其中，

为坐标系E-xyz相对于基坐标系O-xyz的转换矩阵，可通过坐标系E-xyz相对于基坐标系O-xyz的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得出；

为基坐标系O-xyz相对于坐标系L-xyz的转换矩阵，可通过基坐标系O-xyz相对于坐标系L-xyz之间的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得出；

为坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的转换矩阵，可通过坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得出。

优选地，还包括上位机，上位机用于控制机器人的运行，通过上位机内的计算程序，计算得到所述转换矩阵

优选地，所述上位机的计算程序，用于通过机器人的DH参数，机器人在任意一非奇异点的关节角度，激光跟踪仪的机械结构参数，激光跟踪仪测得的相对距离H，建立机器人和激光跟踪仪的机械模型，建立基坐标系O-xyz、坐标系L-xyz、坐标系E-xyz、坐标系T-xyz。

优选地，建立机器人和激光跟踪仪的机械模型时，还包括建立世界坐标系W-xyz,并使所述基坐标系O-xyz、坐标系L-xyz、坐标系E-xyz、坐标系T-xyz与世界坐标系W-xyz关联。

优选地，所述标靶球的预定位置为标靶球的球心。

优选地，还包括通过激光跟踪仪的校准软件对激光跟踪仪的测量进行校准。

优选地，所述机器人为六关节机器人，最末端的关节的坐标系E-xyz为第六关节的坐标系。

另外本发明提供一种机器人工具坐标系标定系统，所述标定系统采用本发明任一所述的标定方法。

优选地，所述标定系统包括：机器人，标靶球，激光跟踪仪，上位机；其中，上位机与激光跟踪仪，机器人控制连接，所述标靶球用于与激光跟踪仪配合测距。

有益效果：

本发明的实现，提供一种快速标定机器人工具的方法。在测试系统中借助标靶球进行返回激光跟踪仪的激光信号，在保证不降低测量精度的情况下，降低了测试成本。根据本发明的标定方法，理论上只需要标定一个点即可解算出工具的坐标系，缩短了标定流程。本发明标定方法，使用硬件激光系统和软件(可视化)系统，通过搭建机械模型和实际的测量数据，构成各个坐标系之间的闭环系统，不仅方便快捷，而且可操作性强。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的机器人工具坐标系标定系统示意图。

图2为本发明的机器人工具坐标系的标定原理示意图。

图3为本发明的靶球上的一点位置在坐标系L-xyz的位置示意图。

其中1-机器人的底座，2-机器人本体，3-机器人末端法兰盘，4-标靶球，5-激光跟踪仪，6-串口传输线，7-上位机。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本公开的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种结构，但这些结构不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一结构与另一结构。因此，下文论述的第一结构可称为第二结构而不偏离本公开概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本公开所必须的，因此不能用于限制本公开的保护范围。

下面结合附图1-3对本发明中的具体实施方式的内容进行详细描述：

如图1所示，示意出了本发明的机器人工具坐标系标定系统，所述标定系统包括：机器人，标靶球4，激光跟踪仪5，上位机7；其中，上位机7与标靶球4，激光跟踪仪5，机器人本体2控制连接。上位机7可用于控制机器人的运行。机器人包括机器人的底座1和机器人本体2，机器人本体2的末端形成有机器人末端法兰盘3。上位机7通过串口传输线6与激光跟踪仪5、机器人固定连接。

其中，图1中的{W}示意出了世界坐标系，{O}示意出了机器人的基坐标系，{E}示意出了机器人的末端关节坐标系，{T}示意出了工具坐标系，{L}示意出了激光跟踪仪5的坐标系。

如图2所示，示意出了本发明的机器人工具坐标系的标定原理示意图，示意出了标定的基本步骤：校验标靶球4的精度；调整机器人到指定位置；激光跟踪仪5进行(测试)测距；将测得的距离通过串口上传给上位机7；构建模型算出工具坐标系。

对本发明的参数作如下说明：O-xyz指机器人的基坐标系，E-xyz指机器人最末端的关节的坐标系，L-xyz指激光跟踪仪5坐标系，T-xyz指工具坐标系。

如图1-3所示，本发明的机器人工具坐标系的标定方法，包括如下步骤：

将激光跟踪仪5的标靶球4安装到工具上，如工具的末端，通过激光跟踪仪5器的校准软件进行实时修正靶球的参数；即对激光跟踪仪5进行校准，如通过发出的激光点和采集的标靶球4折返点位偏差，激光跟踪仪5校准软件实时修正靶球参数。

根据机器人的DH参数，建立机器人的基坐标系O-xyz，工具坐标系T-xyz；以标靶球4的预定位置(如球心)为坐标中心建立工具坐标系T-xyz，其中,工具坐标系T-xyz与机器人最末端的关节的坐标系E-xyz方向一致；即

其中

指坐标系E-xyz与基坐标系O-xyz之间的旋转矩阵，

指第六关节坐标系即坐标系E-xyz与基坐标系O-xyz之间的旋转矩阵。

移动机器人到任意一非奇异点，记录各关节的角度；J_标定＝(θ₁，θ₂，θ₃，θ₄，θ₅，θ₆)，则

其中，θ₁，θ₂，θ₃，θ₄，θ₅，θ₆为第一至第六关节的角度，

指基坐标系O-xyz与坐标系T-xyz之间的旋转矩阵；

指基坐标系O-xyz与坐标系E-xyz之间的旋转矩阵；R(θ₁)，R(θ₂)，R(θ₃)，R(θ₄)，R(θ₅)，R(θ₆)，指第一至第六关节的旋转矩阵。

计算得到坐标系E-xyz相对于基坐标系O-xyz的旋转矩阵

和平移矩阵

通过激光跟踪仪5，测量安装在工具上的标靶球4与跟踪仪5的距离H,通过串口传给上位机7。

已知机器人的DH参数和激光跟踪仪5的机械结构参数，在上位机7软件内建立机器人和激光跟踪仪5的机械模型，建立机器人基坐标系O-xyz，和激光跟踪仪5的坐标系L-xyz，导入软件建立关联后，直接可以在上位机7的测试软件中计算出机器人基坐标系O-xyz与激光跟踪仪5的坐标系L-xyz与大地坐标系W-xyz之间的转换矩阵

和

则转换矩阵

其中，

为坐标系L-xyz与基坐标系O-xyz之间的转换矩阵，

指大地(世界)坐标系W-xyz与基坐标系O-xyz之间的转换矩阵，

指大地(世界)坐标系W-xyz与坐标系L-xyz之间的转换矩阵，

指基坐标系O-xyz与坐标系L-xyz与之间的旋转矩阵，

指坐标系基坐标系O-xyz与L-xyz与之间的平移矩阵。

由激光跟踪仪5与标靶球4的相对距离为H，计算出标靶球4球心在激光跟踪仪5的坐标系L-xyz上的坐标位置

^LP＝(cos(α)*cos(β)*H,cos(α)*sin(β)*H,sin(α)*H)，

即坐标系L-xyz相对于工具坐标系T-xyz(标靶球4心)的平移矩阵为

其中α,β分别为激光跟踪仪5激光光源与标靶球4中心点连线在坐标系L-xyz中投影的夹角。

如图3所示，示意出了的靶球球心在坐标系L-xyz中的示意。L-xyz为激光跟踪仪5的坐标系，P点为标靶球4上一点(球心)。P′，P”，P”'，为其在L-xyz坐标系上的投影点。

激光跟踪仪5有两个自由度(分别由两个伺服电机控制，伺服电机转动多少角度都可以实时读取角度值)，如图当确定标靶球4的点位后，则P点转换到基于激光跟踪仪{L}坐标系点位为：

(cos(α)*cos(β)*H，cos(α)*sin(β)*H，sin(α)*H)，

坐标系L-xyz相对于T-xyz的平移矩阵为:

其中α,β分别为激光跟踪仪5激光光源与标靶球4中心线连线在坐标系L-xyz投影的夹角。

由对应的位姿转换关系(坐标转换关系)可知，激光跟踪仪5坐标系L-xyz到机器人的工具坐标系T-xyz的旋转矩阵：

即

其中，

为坐标系L-xyz到坐标系T-xyz的转换矩阵，

为坐标系T-xyz到坐标系E-xyz的旋转矩阵，

为坐标系E-xyz到基坐标系O-xyz的旋转矩阵，

为基坐标系O-xyz到基坐标系L-xyz的旋转矩阵。

为坐标系L-xyz到坐标系T-xyz的转换矩阵，其中，4x4指其为4×4矩阵，

为坐标系L-xyz到坐标系T-xyz的转换矩阵，其中，3x3指其为3×3矩阵。

其中，E矩阵表示两个坐标系没有旋转转系，当两个坐标系只是平移关系时，则两个坐标系的旋转矩阵就是E。本发明将机器人末端坐标系{E}相对于工具末端TCP姿态保持一致，则

同理，由

计算得到坐标系E-xyz与工具坐标系T-xyz之间的转换矩阵为：

可以求出工具坐标系的转换矩阵

其中

为坐标系O-xyz到坐标系E-xyz的转换矩阵，

为坐标系E-xyz到坐标系T-xyz的转换矩阵，

为坐标系O-xyz到坐标系L-xyz的转换矩阵，

为坐标系L-xyz到坐标系T-xyz的转换矩阵；

为坐标系E-xyz到坐标系O-xyz的转换矩阵。

本发明的机器人可为六关节机器人，最末端的关节的坐标系E-xyz为第六关节的坐标系。

本发明的上位机7用于控制机器人的运行，所述上位机7的计算软件，用于通过机器人的DH参数，机器人在任意一非奇异点的关节角度，激光跟踪仪5的机械结构参数，激光跟踪仪5测得的相对距离H，建立机器人和激光跟踪仪5的机械模型，建立机器人基坐标系O-xyz、坐标系L-xyz、坐标系E-xyz、坐标系T-xyz。通过上位机7内的计算程序，计算得到所述转换矩阵

本发明的标定方法，理论上只需要标定一个点即可解算出工具的坐标系，缩短了标定流程。

有益效果：

本发明提供的机器人工具坐标系T-xyz的标定方法及标定系统，将激光跟踪仪5的标靶球4安装到工具上；根据机器人的DH参数，建立机器人的基坐标系O-xyz，工具坐标系T-xyz；以标靶球4的预定位置为坐标中心建立工具坐标系T-xyz，其中,工具坐标系T-xyz与机器人最末端的关节的坐标系E-xyz方向一致；移动机器人到任意一非奇异点，记录各关节的角度；通过激光跟踪仪5，测量安装在工具上的标靶球4的预定位置与跟踪仪5的相对距离H，根据上述数据标定工具坐标系T-xyz。本发明在保证不降低测量精度的情况下，降低了测试成本。根据本发明的标定方法，理论上只需要标定一个点即可解算出工具的坐标系，缩短了标定流程。本发明标定方法，使用激光跟踪仪5和软件系统，通过搭建机械模型和实际的测量数据，构成各个坐标系之间的闭环系统，不仅方便快捷，而且可操作性强。

以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (7)

1.一种机器人工具坐标系的标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

将激光跟踪仪的标靶球安装到工具上；

根据机器人的DH参数，建立机器人的基坐标系O-xyz，最末端的关节的坐标系E-xyz；以标靶球的预定位置为坐标中心建立工具坐标系T-xyz，其中,工具坐标系T-xyz与机器人最末端的关节的坐标系E-xyz方向一致，

其中

指坐标系E-xyz与基坐标系O-xyz之间的旋转矩阵，

指第六关节坐标系即坐标系E-xyz与基坐标系O-xyz之间的旋转矩阵；

移动机器人到任意一非奇异点，记录各关节的角度，J_标定＝(θ₁，θ₂，θ₃，θ₄，θ₅，θ₆)，则

其中，θ₁，θ₂，θ₃，θ₄，θ₅，θ₆为第一至第六关节的角度，

指基坐标系O-xyz与坐标系T-xyz之间的旋转矩阵；

指基坐标系O-xyz与坐标系E-xyz之间的旋转矩阵；R(θ₁)，R(θ₂)，R(θ₃)，R(θ₄)，R(θ₅)，R(θ₆)，指第一至第六关节的旋转矩阵；

计算得到坐标系E-xyz相对于基坐标系O-xyz的旋转矩阵

和平移矩阵

通过激光跟踪仪，测量安装在工具上的标靶球的预定位置与跟踪仪的相对距离H；

根据激光跟踪仪的机械结构参数，建立激光跟踪仪的坐标系L-xyz；

计算得到基坐标系O-xyz相对于坐标系L-xyz之间的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得到坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的平移矩阵

计算得到坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的旋转矩阵

计算得到坐标系E-xyz相对于坐标系T-xyz的转换矩阵

还包括上位机，上位机用于控制机器人的运行，通过上位机内的计算程序，计算得到所述转换矩阵

所述上位机的计算程序，用于通过机器人的DH参数，机器人在任意一非奇异点的关节角度，激光跟踪仪的机械结构参数，激光跟踪仪测得的相对距离H，建立机器人和激光跟踪仪的机械模型，建立基坐标系O-xyz、坐标系L-xyz、坐标系E-xyz、坐标系T-xyz；

建立机器人和激光跟踪仪的机械模型时，还包括建立世界坐标系W-xyz,并使所述基坐标系O-xyz、坐标系L-xyz、坐标系E-xyz、坐标系T-xyz与世界坐标系W-xyz关联。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于：计算

的方式为，根据坐标变换关系：

进行计算；其中，

为坐标系E-xyz相对于基坐标系O-xyz的转换矩阵，可通过坐标系E-xyz相对于基坐标系O-xyz的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得出；

为基坐标系O-xyz相对于坐标系L-xyz的转换矩阵，可通过基坐标系O-xyz相对于坐标系L-xyz之间的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得出；

为坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的转换矩阵，可通过坐标系L-xyz相对于坐标系T-xyz的旋转矩阵

和平移矩阵

计算得出。

3.根据权利要求1，2任一所述的标定方法，其特征在于：所述标靶球的预定位置为标靶球的球心。

4.根据权利要求1，2任一所述的标定方法，其特征在于：还包括通过激光跟踪仪的校准软件对激光跟踪仪的测量进行校准。

5.根据权利要求1，2任一所述的标定方法，其特征在于：所述机器人为六关节机器人，最末端的关节的坐标系E-xyz为第六关节的坐标系。

6.一种机器人工具坐标系标定系统，其特征在于：所述标定系统采用权利要求1-5任一所述的标定方法。

7.根据权利要求6所述的标定系统，其特征在于：所述标定系统包括：机器人，标靶球，激光跟踪仪，上位机；其中，上位机与激光跟踪仪，机器人控制连接，所述标靶球用于与激光跟踪仪配合测距。

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